變頻器調速在高速斬拌機中的應用

張春元

（天津市肉類聯合加工廠，天津市浦英機械有限公司，天津300300）

斬拌機是肉類制品生產制作工藝中的重要設備，更是腸類生產加工必不可少的。它不僅將豬、牛、羊、魚等各種肉類、脂肪等原料，而且還能夠將其它原料附加品，如肉皮、鍵子肉、等輔料，同肉一起通過轉盤鍋逆時針低速旋轉，不斷的向斬拌刀組輸送，在轉盤鍋中作螺旋式運動的同時被高速旋轉的斬拌刀組利用切刀高速旋轉產生的劈裂作用，將肉及輔料攪拌和切碎，并均勻混合，斬拌成均勻的乳化物，特別是通過高速斬拌使原料肉達到乳化效果，使腸類產品的細密度增加，彈性增強，提高原料肉的利用率。

1 斬拌機的結構及工作原理

斬拌機不論大小分為普通型和高速型兩種，刀軸運轉速度在4 000 r/min以上的斬拌機稱為高速斬拌機，刀組的線速度越高，其斬拌乳化的效果越好，而低于4 000 r/min的斬拌機統稱為普通型斬拌機[1]。普通型斬拌機的刀軸傳動系統操作流程：先低速、后中速、再高速，運行曲線如圖1所示。

圖1 斬拌機運轉功率及電流示意圖Fig.1 The running power and current of chopping machine

圖1 顯示，原料肉在進入旋轉的轉盤鍋過程中，重量不均，凹凸不平且成團狀，首先選擇刀軸低速運行是起到均勻攪拌的作用，這就是圖中t0-t1電流曲線有較大波動的原因，而當負荷電流逐漸平穩如圖中t1-t2，也就是完成了攪拌。這時啟動大功率異步電動機（4極）運行，刀軸運轉負荷電流，短時間有一個沖擊電流t2-t3區間，過后很快衰減趨于平滑。圖中t3-t4的這段時間，阻力矩恒定，斬拌轉矩平穩，肉料的顆粒明顯細化，此時啟動刀軸高速（2級）運轉是將細化了的微小顆粒再進行深加工，即乳化。從圖中t4-t5的區間我們看到轉換刀軸高速運轉的短時內，除上邊提到的不可避免的啟動時的沖擊電流外，在t5后斬拌機工作電流穩定在恒定的轉矩區域內。

2 變頻裝置在斬拌機中的應用

普通型斬拌機受零部件、加工、裝配等因素的影響，系統的故障率比其他部位多，增加維修費用。其次，為保證異步電動機啟動轉矩和生產工藝要求，采取接觸器直接啟動，在不到10 min內完成3個速度的轉換運行（低、中、高），不僅噪音大，還直接影響其使用壽命。最后，由于啟動電流大，造成用戶供電壓加大，影響其他電器設備的正常運轉。

隨著社會節能環保意識提升及肉食品開發品種需要，普通型斬拌機不能滿足市場需求。目前，國外所使用的高速斬拌機多為直流電動機閉環調速方法。優點是：調速范圍大，高、低速運轉輸出力矩大，升減速平穩，啟動沖擊電流小，再生制動容易，對電網無大影響；缺點是控制線路復雜，機體龐大，價格昂貴，出現故障維修困難。

為了實現斬拌機高速運行，我們采用了變頻器和變頻電動機配合控制的方法，滿足運行要求。目前，市場上的通用變頻器種類多，性能不斷提高，功能不斷充實、增強，質量越來越有保障。U/F控制的變頻器早已實現了轉矩功能，并不斷的更新換代，改善功能。高動態性能型矢量控制通用變頻器具有較高的動態性能，且調速范圍廣，低頻均有轉矩提升功能，也稱電壓補償功能。

如圖2所示的這種變頻器，比較理想，靜態機械特性硬度大，不怕沖擊負荷，低速輸出轉矩大，很好的解決了變頻器低頻輸出時變頻電動機輸出轉矩不足的問題。另外，變頻器啟動電流小，只是額定電流的1.2倍～1.5倍，屬于軟啟動性質的設備，不會對電網造成干擾。電源設備容量可以按變頻器的容量考慮，與采用工頻電網直接啟動相比，容量明顯減小，節省投資。

圖2 變頻器低頻轉矩提升曲線圖Fig.2 The graph of the frequency converter low frequency torque

變頻器驅動的變頻電動機具備了挖土機特性，像直流電動機一樣，可以人為地設定其極限輸出轉矩[2]。變頻電動機的矢量控制，在動態性能方面已經趕上或超過了直流調速系統。我們從變頻電動機的變頻特性中知道，在基頻以下運行的變頻電動機，是恒力矩輸出，在基頻以上運行是恒功率輸出，如圖3所示。

圖3 異步電動機變頻調速時的控制特性Fig.3 Control feature of asynchronous motor frequency conversion and motor speed

斬拌機在低速攪拌初始，負荷力矩波動大，伴隨著較大的電流抖動，而此時用變頻器控制的變頻電動機正是工作在基頻以下的低頻運行狀態，由于變頻器具備低頻轉矩提升功能和抗沖擊功能，保證了變頻電動機恒轉矩的輸出，能滿足斬拌機在低速攪拌的力矩要求。而在高速乳化時，電動機運行在基頻以上，雖然隨著轉速的提升輸出力矩降低[3]。圖3顯示，工作在恒功率段，然而負荷阻力矩通過前兩級的運行已經明顯下降且平穩。對于工作在基頻以上，速度提升，轉矩下降的恒功率輸出恰好是減荷，這種巧合給我們選擇變頻器控制斬拌機在高速運轉提供了一個主要依據。根據這一依據，只要掌握斬拌原料在低速攪拌時的阻力矩和高速乳化時的阻力距，我們就很容易根據這兩個重要參數選擇購買到相應的變頻電動機和低速有補償的U/F控制的通用變頻器，以合理可靠的電氣控制，就不難完成變頻器調速對高速斬拌的運行控制。

3 結語

經過以上簡述，我們分析發現變頻器的功能、變頻電動機的運行特征，恰好利用在控制高速斬拌機運行方面，提供了利用的條件。變頻器控制的變頻電動機在高速斬拌機上運行經過了實踐，通過了國家的鑒定，并取得了專利證書。在肉類食品加工企業已經應用。價格合理、控制簡單、性能可靠的變頻調速的高速斬拌機已面向市場，彌補了我國在這一領域的不足，滿足肉類食品生產廠家的需求。

[1]吳忠智，吳加林.變頻器應用手則[M].2版.北京:機械工業出版社,2002

[2]韓安榮.通用變頻器及其應用[M].2版.北京:機械工業出版社,2004

[3]顧繩谷.電動機與拖動基礎[M].1版.北京:機械工業出版社,1981